Valo Ilman valoa emme näkisi mitään. Näemme kappaleita, koska niistä saapuu silmiimme valoa. Valo voi olla kappaleen itsensä synnyttämää tai siitä heijastunutta valoa. Miksi punainen vaate näyttää päivänvalossa punaiselta? Miksi cd-levyn pinta heijastelee eri väreissä? Miksi taivas on sininen? Absorptio Diffraktio Sironta

Selitä ilmiöt Istuessasi viileänä kesäiltana järven rannalla, näet vastarannan puiden kuvat vedessä ylösalaisin. Mistä tämä johtuu? Kuumana kesäpäivänä tienpinta näyttää kaukaa katsottuna lainehtivan. Näyttää kuin vastaantulevat autot liikkuisivat vedessä. Mistä tämä johtuu? Katselet lämpimänä kesäpäivänä merellä kulkevaa purjevenettä. Vene näyttää kulkevan ilmassa. Mistä tämä johtuu? Rajapinta: Kylmä (tiheä) ilma taittaa valoa voimakkaammin kuin lämmin (harva) ilma. Kohteesta heijastuva valo (punainen säde) taittuu.

Mitä valo on? Emme osaa kuvata valoa vain yhdellä tavalla, koska valo käyttäytyy hyvin eri tavoin eri tilanteissa. Valo aaltoliikkeenä -Varjojen reunat eivät ole aivan teräviä. Interferenssi. -Jos valo on aalto, niin mikä aaltoilee? -Poikittaista sähkömagneettista aaltoliikettä (kurssi 7). -Ei tarvitse väliainetta edetäkseen. Valon nopeus tyhjiössä: c = 3,00 ∙ 108 m/s. Aaltoliikkeen perusyhtälön mukaisesti:

Mitä valo on? Valo säteinä Valo hiukkasina (Fotonimalli) -Valo on myös suorina linjoina kulkevia valonsäteitä. -Erilaisten optisten laitteiden (linssit, peilit, kaukoputket ym.) ymmärtäminen perustuu valon kuvaamiseen säteinä. Valo hiukkasina (Fotonimalli) -Kvanttifysiikka ja aalto-hiukkasdualismi. -Valokvantit eli fotonit (kurssi 8).

Ihmiselle näkyvä valo 380nm-760 nm Sähkömagn. säteilyn aallonpituus

Sähkömagneettinen säteily Aaltoliikettä Kun aallonpituus pienenee, säteilyn taajuus ja energia kasvavat. c = valon nopeus tyhjiössä = 3,0 · 108 m/s

Radioaallot Aallonpituusalue 0,1 m-100 000 km. Usein mainitaan aallonpituuden sijasta taajuus: 3 Hz–300 GHz Käytetään mm. langattomaan tiedonsiirtoon: radio- ja tv-lähetykset, matkapuhelimet.

Mikroaallot Mikroaallot ovat aallonpituuksien 30 cm–1 mm ja taajuuksien 1 GHz–300 GHz välissä Käytetään mm. tutkissa ja mikroaaltouuneissa. Mikroaaltouunin keksi Raytheonilla työskentelevä Perc Spencer vuonna 1945. Hän kehitti magnetroneja erilaisia tutkasovelluksia varten ja huomasi sattumalta, että mikroaalloilla pystyi kuumentamaan ruokaa. Tarinan mukaan suklaapatukka hänen taskussaan oli sulanut. Seuraavaksi hän laittoi popcornin siemeniä magnetronin lähelle ja hetken kuluttua popcornit poksahtelivat ja pomppivat ympäri hänen laboratoriotaan.

Infrapunasäteily Aallonpituusalue 700 nm...1 mm Aineen rakennehiukkasten lämpövärähtelyistä johtuvaa. Aurinko tärkein infrapunasäteilyn lähde. Käytetään mm. lämpökameroissa, kaukosäätimissä ja cd-soittimissa.

Näkyvä valo Aallonpituusalue on 400-700 nm. Sateenkaaren spektrissä näkyvät kaikki valon väri violetista punaiseen. Aurinko tärkein valon lähde. Lamput Laser on optinen laite, joka tuottaa koherentin valosäteen

Ultraviolettisäteily Aallonpituudeltaan lyhyempää kuin näkyvä valo Ultraviolettisäteily jaetaan kolmeen säteilyalueeseen pääasiassa säteilyn ihmisterveyteen ja ympäristöön aiheuttamien vaikutusten mukaan: UVA-säteily, aallonpituus 315-380 nm UVB-säteily, aallonpituus 280-315 nm UVC-säteily, aallonpituus 100-280 nm Otsonikerros on tehokkain suoja UV-säteilyä vastaan.

Röntgensäteily (ionisoivaa) Röntgensäteily on lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä Läpäisee kevyistä alkuaineista koostuvia esteitä hyvin. Synnytetään röntgenputkissa pysäyttämällä suureen nopeuteen kiihdytetyt elektronit metallilevyyn. Käytetään lääketieteessä, arkeologiassa, teollisuudessa

Gammasäteily (ionisoivaa) Gammasäteilyä (γ) syntyy atomiydinten hajoamisen yhteydessä. Lähettäessään gammasäteilyä ydin ei muutu toisen alkuaineen ytimeksi, vain ytimen energia muuttuu Hyvin läpitunkevaa Käytetään mm. sairaalatarvikkeiden sterilointiin. Ei tartu säteilytettyihin kohteisiin.

Valovirta Ф (lumen-yksiköt) Valovirta kuvaa valolähteen valotehoa. Se kuvaa silmän havaitsemaa fotonivirtaa, siis luonteeltaan tehoa. Valovirta (lumenit) on tyypillinen mitattu suure Lumen-yksiköiden määrällä ilmoitetaan projektorin valoteho. Esimerkiksi 2000 lumenia on melko suuri Jos valolähteen valovoima on I kandelaa johonkin suuntaan,niin se lähettää tähän suuntaan avaruuskulmaan ω valovirran Φ: Joka suuntaan ympärisäteilevän valonlähteen kokonaisvaloteho Jos lamppu säteilee vain puolipallon alalle, lampun kokonaisvaloteho on 2π·I

Pinnan valaistus E (luksit) Valovirta (lumenit) osuessaan pinnalle aikaansaa valaistuksen E (luksit) R A ω Φ Pistemäiselle lähteelle: (candelat jaetaan etäisyyden neliöllä) Valaistusvoimakkuuden E yksikkö 1 lx = 1 luksi = Auringon valo antaa kohtisuoralle pinnalle 100 000 lx Luokkahuoneessa pitäisi olla noin 500 lx

Kandelat, Lumenit ja Luksit 1 kandelan valovoimainen lamppu lähettää 1 steradiaanin avaruuskulmaan 1 lumenin valovirran. Koko pallon pintaan 1 kandelan lamppu lähettää 4π lumenia, jos lamppu on ympärisäteilevä. (Φ=I·ω , I= 1 cd ja pallo on 4π steradiaania) Jos tiedetään valokiilan lumenit, voidaan laskea kuinka suuren valaistuksen se antaa pinnalle: (Esimerkiksi projektorikuvan luksit) 1 cd antaa 1 m päähän 1 luksin valaistuksen

A) Ympärisäteilevä 10 cd pistemäinen lähde lähettää valovirran Φ Tällöin valaistus 5m päässä on: B) 2000 lumenin projektorin valovirta kohdistuu 1,8 m x 3,2 m valkokankaalle. Mikä on pinnan valaistus? (kirkkaus)

Valon kirkkaus ja pinnan valaistus Valovoima I = kertoo valolähteen voimakkuuden tarkastelusuunnassa Valovoiman I yksikkö on 1 cd = 1 kandela Yhden kynttilän valovoima on noin 1 kandela. Pistemäinen, kaikkialle tasaisesti säteilevä valolähde aikaansaa kohteen pinnalla valaistusvoimakkuuden E Valaistusvoimakkuuden E yksikkö 1 lx = 1 luksi =

Esim. 1: 60 watin hehkulamppu on 1,0 m on pöydän yllä ja sen valovoima on 55 kandelaa. Kuinka suuren valaistusvoimakkuuden se antaa pöydän pinnalle? I = 55 cd R = 1,0 m Esim.2: Työpöydän valaistuksen tulisi olla 100 lx. Kuinka lähellä pöydän yläpuolella tulisi olla valovoimaltaan 140 cd lampun? I=140 cd E=100 lx

Ihmiselle näkyvät värit

Ihmiselle näkyvä valo 380nm-760 nm Sähkömagn. säteilyn aallonpituus

VÄRIJÄRJESTELMÄT Väri FYSIIKAN kannalta: Väri ihmisen SILMÄN kannalta: Kutakin näkyvän valon aallonpituutta vastaa joku värisävy 700 nanometriä (nm) = punainen 590 nm = keltainen 527 nm = vihreä 450 nm = sininen 396 nm = violetti Väri ihmisen SILMÄN kannalta: Verkkokalvolla on kolmenlaisia näkösoluja (tappisolut): R = Red = punaista aistivia G = Green = vihreää aistivia B = Blue = sinistä aistivia Aivoissa tapahtuu värien ”tajuaminen”

Värioppi ja biologia Silmässä R- G- ja B-herkkiä tappisoluja Silmän nopeus: TV 25 kuvaa/s sulautuvat liikkuvaksi elokuva 24 kuvaa/s tulevaisuuden TV: 50 kuvaa/s mehiläinen näkee myös UV-valoa, muutamat haukat näkevät UV. Kalkkarokäärme ”näkee” infrapunavaloa eli lämpösäteilyä

Silmän rakenne

Silmän herkkyys RGB-väreille Silmässämme on 120 miljoonaa sauvasolua, joiden avulla näemme hämärässä. Sauvat eivät aisti värejä. Värien näkeminen on 5 miljoonan tappisolun varassa. Ne ovat tarkan näkemisen alueella. R-aistivia 63 %, herkkyyden maksimi 580 nm kohdalla G-aistivia 36 %, herkkyyden maksimi 545 nm kohdalla B-aistivia 1 %, herkkyyden maksimi 445 nm kohdalla

Verkkokalvon rakenne

Sauvat ja Tapit (”teletapit värillisiä”) Tapit aistivat värejä, sauvat hämärässä Sauva (rod) Tappi (cone)

Sauvojen ja tappien vertailu

Väri PSYKOLOGIAN kannalta Punainen: kiihdyttää, pelottaa, nostaa verenpainetta (veri, tuli, …) Vihreä: rauhoittaa (kasvillisuus…) Sininen: Älyllinen, viileä Musta: vahva

A. RGB-värit = valoa lähettävät Dataprojektori, monitori, TV-kuvaputki, LCD-näyttö VäriTV-kuvaputki: 3 elektronisuihkua: R G B kuvaruudulla värillisiä pisteitä TrueColor = 24 bitin väriavaruus 8 bittiä R -->28= 256 punaista sävyä 8 bittiä G --> 28= 256 vihreää sävyä 8 bittiä B -->28= 256 sinistä sävyä 256*256*256= 16,7 miljoonaa värisävyä 1 kuvapiste vie 24 bittiä muistia

B. PAINOVÄRIT, eivät lähetä omaa valoa Valkoinen valo (Aurinko) sisältää kaikki värit. Punainen pinta imee kaikki muut, paitsi punaisen jonka se heijastaa  näyttää punaiselta Musta väri imee kaiken  näyttää mustalta Tehdään painovärien avulla Vaativat valaisia, jotta värit näkyisivät (eivät näy pimeässä) CMYK-värit C = Cyan (sinivihreä) M = Magenta = violettia, sinipunainen Y = Yellow = keltainen K = blacK = musta

RGB:n ja CMYK:n yhteys Red Green Blue Magenta Yellow Cyan

Valon heijastuminen Heijastuslaki: Tulokulma α1 on yhtä suuri kuin heijastuskulma β.

Valon taittuminen Huom! nurinpäin Valon nopeutta eri väliaineissa kuvataan taitekertoimella n. Taittumislaki: (Snelliuksen laki, vertaa yleinen aaltoliike) Valo taittuu eri väliaineiden rajapinnassa: Huom! nurinpäin Valossa puhutaan aallonpituudesta λ. Äänessä puhutaan taajuudesta Rajapinnassa nopeus ja aallonpituus muuttuvat, taajuus pysyy samana.

Esim. Valo, jonka aallonpituus on 600 nm, saapuu ilmasta lasilevyyn (kruunulasi). Mikä on valon nopeus lasissa? Entä aallonpituus? Taulukkokirja sivu 88  n ≈ 1,509

Kokonaisheijastuminen (valo ei pääse rajapinnan läpi, Aalto tulee tiheämmästä väliaineesta harvempaan Taitekulma > Tulokulma Riittävän suurella tulokulmalla valo ei enää taitu, vaan heijastuu kokonaan (taittumiskulma = 90°)

Kokonaisheijastus valokuidussa

Illuusio: silmää huijataan ihminen näkee kuvan, ei esinettä

Valo kulkee vinosti lasilevyn läpi Suunta säilyy

Valon taittuminen prismassa Dispersio = taitekertoimen riippuvuus aallonpituudesta Valkoisessa valossa on kaikkia aallonpituuksia. Taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Miksi esimerkiksi ikkunalasin läpi kulkenut valo ei ole hajaantunut eri väreihin?

Valon interferenssi Saippuakuplat kimaltelevat eri väreissä, vaikka saippua on väritöntä. Cd- ja dvd-levyjen pinnalta heijastuva valo hajaantuu sateenkaaren väreihin. Valo heijastuu kahdesta päällekkäin olevasta pinnasta  heijastuneet valoaallot kulkevat eri pituisen matkan  heijastuneiden valoaaltojen välillä on vaihe-ero. Se, mitkä värit vahvistuvat ja mitkä värit vaimenevat, riippuu kalvon paksuudesta ja heijastuskulmasta

Diffraktio Valon kulkiessa kapean raon ohi, nähdään varjostimella sarja tummia ja vaaleita kohtia. Ilmiön aiheuttaa esteen vaikutus aallon muotoihin: Diffraktio kapeassa raossa ja kaksoisraossa. Diffraktio hilassa

Diffraktio Kuinka voidaan määrittää paikat, joihin valoisa kohta syntyy? d = Rakojen välimatka α = taipumiskulma λ = aallonpituus k = valoisan kohdan kertaluokka.

Valon diffraktio hilassa Hila = Levy, jossa on yhdensuuntaisia ja toisistaan yhtä etäällä olevia rakoja. Hilavakio, d = Vierekkäisten rakojen välimatka. Kun hilavakio pienenee  Diffraktiokuvio pienenee. Valon taipuminen hilassa:

Polarisaatio Valo on poikittaista aaltoliikettä, jossa sähkökenttä värähtelee kohtisuorasti etenemissuuntaa vastaan. Tämä värähtely tapahtuu tavallisesti jopa kaikissa etenemissuuntaa vastaan kohtisuorissa suunnissa. Jos osa näistä suunnista puuttuu valosta, valo on polarisoitunutta. Täysin polarisoitunut on valo, jos siinä sähkökenttä värähtelee vain yhdessä etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Täysin polarisoitunutta valoa syntyy, kun 1) valo kulkee polarisaatiolevyn läpi. (esim. aurinkolasit) 2) valo heijastuu siten, että heijastuneen ja taittuneen säteen välinen kulma on suora. (Brewsterin laki)

Polarisaatio polarisaatiolevyssä Valo polarisoituu lineaarisesti, kun se kulkee sopivasti materiaalista valistetun levyn, polarisaattorin, läpi. Vain tietynsuuntainen värähtely läpäisee polarisaattorin lähes täysin ja muissa suunnissa värähtely vaimenee käytännöllisesti katsoen kokonaan. Polarisaattorin läpäisyakseliksi sanotaan suuntaa, jossa tapahtuvan värähtelyn polarisaattori päästää lävitseen Valon polarisaatiota voidaan tutkia kahden peräkkäisen polarisaattorin avulla. Jos polarisaattorien läpäisyakselit ovat toisiaan vastaan kohtisuorassa, systeemi ei läpäise valoa.

Polarisaatio: Brewsterin laki Heijastunut valo on täysin polarisoitunut heijastavan pinnan suuntaisesti, kun heijastuneen ja taittuneen valonsäteen välinen kulma on suora.  Brewsterin laki:

Optisesti tiheämpää n2 > n1 Optisesti harvempaa n2 < n1 Valon heijastuminen: Valon taittuminen: Optisesti tiheämpää n2 > n1 Linssiyhdistelmän viivasuurennus: Optisesti harvempaa n2 < n1

Linssit Kupera linssi f > 0 Kovera linssi f < 0 e F F k e F F k Valo tulee vasemmalta a=esineen etäisyys linssistä a > 0, jos esine linssin vasemmalla a < 0, jos esine linssin oikealla puolella (vale-esine) b > 0, todellinen kuva (säteet leikkaavat) b < 0, valekuva (säteen jatke/jatkeet leikkaavat)

Linssin kuvausyhtälö Kuvausyhtälö Linssi taittokyky Viivasuurennos a = esineen etäisyys linssistä b = kuvan etäisyys linssistä f = polttoväli F k e Kuvausyhtälö Linssi taittokyky Viivasuurennos

Esimerkkejä: a>0, b>0, f>0 a=f>0, b=∞ Taittovoimakkuus määritellään polttovälin käänteisarvona [D] = 1 dioptria = 1 d = 1 1/m Kokoavan linssin taittovoimakkuus on positiivinen, hajottavan negatiivinen. a>0, b<0, f<0

kaksi linssiä, eivät kiinni toisissaan F2 F1 Ensimmäinen linssi muodostaa kuvan. Se toimii esineenä toiselle linssille. Toinen linssi muodostaa lopullisen kuvan Jos ekalinssin muodostama kuva on toisen linssin edessä esine tokalle, a2 > 0 toisen linssin takanavale-esine tokalle, a2 < 0

Ensimmäisen linssin antama kuva F2 F1 0,60 m Kuva on valekuva, 15 cm ensimmäisen linssin edessä

Toisen linssin antama kuva F2 F1 k e Todellinen kuva, 27 cm toisen linssin takana

Kaksi ohutta linssiä kiinni tai hyvin lähellä toisiaan F F Jos ekalinssi on +1,0d ja tokalinssi +0,50d, Yhdistelmä on +1,5d, jolloin polttoväli f= 1/1,5 =0,67m Yhdistelmä käyttäytyy yhden linssin kaltaisesti jonka polttoväli on f.

Linssin voimakkuus on -2,0 d. Esineen korkeus On 20 cm ja se on 80 cm päässä linssistä. Mihin muodostuu kuva? Mikä on kuvan korkeus ja laatu? Kuinka suuri on viivasuurennus F 50 cm e=20cm

e F F 50 cm k

Henkilö ei näe tarkasti alle 50 cm päässä olevia kohteita. Millaiset lasit hän tarvitsee, jotta näkisi Tarkasti 25 cm päähän? (lukulasit) Ratkaisu: Ilman laseja silmä näkee tarkasti 50 cm päähän. Lasien on tehtävä 25 cm päässä olevasta esineestä valekuva 50 cm päähän. Tämä valekuva on esineenä silmälle, joka tekee tarkan kuvan verkkokalvolle. a = 0,25 m b = -0,50 m f = ? V: Pluslasit, taittokyky +2,0d

Henkilö näkee tarkasti vain 1,2 m päähän, mutta ei kauemmaksi. Millaiset lasit hän tarvitsee, jotta näkisi tarkasti äärettömiin? (kaukolasit) Ratkaisu: Ilman laseja silmälle ”äärettömän” kaukana on 1,2 m, jolloin verkkokalvolle muodostuu tarkka kuva. Lasien on siis tehtävä äärettömän kaukana olevasta esineestä valekuva 1,2 m päähän. Tämä valekuva on esineenä silmälle, joka tekee tarkan kuvan verkkokalvolle. a = ∞ b = -1,2 m f = ? V: Miinuslasit, taittokyky -0,83 d

Pallopeilien muodostama kuva Piirrossopimus: Valo tulee vasemmalta Todellinen kuva: valonsäteet leikkaavat, kuva saadaan varjostimelle valo tulee kuvan kohdalle Valekuva: valonsäteiden jatke tai jatkeet leikkaavat todellinen valo ei tule kuvan kohdalle kuvaa ei saada varjostimelle Polttopiste F on aina pelin keskipisteen ja peilin kaarevuuskeskipisteen O puolivälissä. Polttoväli f = r/2

Kovera pallopeili: esine kaukana 1 = pääakselin suuntainen polttopisteen F kautta Esine 1 2=kaarevuuskeskipisteen O kautta samaa tietä takaisin Pääakseli O F Todellinen, nurinpäin, pienennetty kuva (säteet leikkaavat)

Kovera pallopeili: Esine polttopisteen ja kaaevuuskeskipisteen välissä 1= Pääakselin suuntainen 1 2 2=Polttopisteen kautta takaisin vaakasuoraan O F Kuva: Todellinen, nurinpäin, suurennettu

Kovera peili: Esine polttopisteen ja peilin välissä Säteet eivät kohtaa piirretään jatkeet O F Valekuva, oikeinpäin suurennettu

Kupera pallopeili: F valepolttopiste Pienennetty oikeinpäin oleva valekuva 1 2 F O Esine 1=Pääakselin suuntainen heijastuu polttopisteen F kautta poispäin 2 = Kaarevuuskeskipisteen O suunnasta heijastuu takaisin

Peilien kuvausyhtälö a = esineen etäisyys peilistä (esine vasemmalla, josta valo tulee  a positiivinen b = kuvan etäisyys peilistä. Jos kuva vasemmalla, josta valo tulee ja jonne valo heijastuu, b positiivinen, kuva on todellinen, saadaan varjostimelle. Jos kuva peilin takana: valekuva, b negatiivinen f = polttoväli = r/2 koveralle +, kuperalle -

Esim. Kuperan pallopeilin kaarevuussäde on 16 cm Esim. Kuperan pallopeilin kaarevuussäde on 16 cm. Esime on 32 cm päässä peilistä ja sen korkeus on 10,0 cm Laske kuvan paikka, korkeus ja luonne. r = 16 cm  f = -r/2 = -8,0 cm a = 32 cm e = 10,0 cm b = -6,4 cm valekuva k= 0,2∙10 cm=2,0 cm pienennetty